従来のストレージがAIに追いつけない理由：機械式データストレージのケース

今日の高度なコンピューティングとAIシステムは、かつてないほど多くのストレージを必要としています。そのため、過去数年間でデータストレージ分野は大きく前進しました。これらの進歩は、画期的な材料や新しい手法の活用を含んでいます。ここでは、市場を覆す可能性のある最新のデータストレージ手法をいくつか紹介します。

データストレージ需要の増加

データストレージソリューションへの需要は業界全体で拡大し続けており、世界中に9,000以上のデータセンターがあります。特に、米国はデータセンター数でトップで、現在5,000以上が稼働しています。これらの施設は、企業、ユーザー、政府が重要な情報を管理する上で不可欠な役割を果たしています。

クラウドストレージがリード

アナリストは、クラウドストレージ市場が2020年の610億ドルから2028年には3,900億ドルに拡大すると予測しています。この成長は多くの要因によりますが、高性能AIアルゴリズムの使用増加がクラウドコンピューティングサービスの需要が高まる主な理由の一つです。これらのサービスは、運用中に大規模なデータモデルを保存・アクセスする必要があります。特に、AIシステムはより多くのサービスを提供するために大きなモデルを必要とします。そのため、データストレージの需要は今後も増加すると予測されています。

現在のデータストレージ方法の問題点

現在のストレージデバイスは非AIシステムには十分に機能しますが、最も効果的なアルゴリズムを格納・運用するために必要なスケーラビリティを提供できません。ソリッドステートドライブは磁性粒子に制限があり、フラッシュドライブは物理的なスケーリング限界に達しています。CDのようなデジタルストレージ手法でも、データ保存容量に物理的な制約があります。

機械式ストレージ

近年大きな関心を集めているストレージ形態の一つが機械式ストレージです。この方法はデータを表す小さなインデントを利用します。IBMやIntel (INTC ) が過去にこのストレージ手法を調査したのは、興味深い特性と高密度な保存能力があるためです。

現在使用されている機械式ストレージ方法の問題点

過去に機械式ストレージデバイスの開発とテストに多くの研究が費やされました。デバイスはうまく機能し、より高い密度を実現しましたが、合成の課題、低い消去温度、安定性の欠如など多くの欠点がありました。加熱プローブの使用は、プローブがより多くのエネルギーを必要とし、安全性が低下するため、手順をさらに複雑にしました。

高密度ポリマーデータストレージ研究

最近、研究¹がジャーナル『Advanced Science』に掲載され、高密度ポリマーをストレージ媒体として作成・利用する新しい方法が紹介されました。このポリマーがこのタスクに適している理由は複数あります。まず、必要な物理的柔軟性と化学的特性を備えている点です。

出典 – Advanced Science

例えば、特定のポリマーは表面粗さが低く、適切な条件下で変形せずに形状を保持できます。この研究では、データストレージ用に特別に作られた新しいポリマー「Flinders Polymer」を紹介しています。これは開発された学校の名前にちなんで名付けられました。特筆すべきは、この材料が逆硫化反応を利用して硫黄とジシクロペンタジエンを組み合わせて作られたことです。

これらの材料は低コストで再生可能です。そのため、データストレージシステムが継続的に書き込み・消去・再書き込みを行うのに最適です。さらに、データがポリマーにエンコードされる方法により、より高い保存密度を実現します。

データストレージのためのナノスケールインデント

研究者はナノスケールのインデントを利用して、微視的レベルでデータマークを保存しました。原子間力顕微鏡（AFM）を用いてこれらのインデントを作成しました。インデントの深さは<1nmから30nmまでで、各深さが異なるデータポイントを表します。特に、この手法は従来のハードディスクに比べて4倍のデータ保存密度を実現します。

三進数符号化システム

追加された保存能力の核心は三進数エンコーディング方式です。この方式は、2状態・8セル・256文字に制限されたバイナリシステムを超えます。三進数符号はもう一つの状態を加えることで、8セルで6561文字を表現可能にします。特に、インデントの深さが追加情報の伝達を可能にします。

ポリマー データストレージの消去

研究者にとってもう一つの重要な課題は、ポリマーが容易に消去・再書き込みできることを保証することでした。チームは、ポリマーが優れた保存能力と熱的S─Sメタセシスを提供することを確認しました。また、適切な熱量を加えると、動的ポリスルフィドネットワークの熱的再構成が起こることも指摘しました。

ポリマー データストレージのテスト

研究者は、タスクに最適なポリマー混合物とプロセスを見つけるために複数のテストフェーズを実施しました。各ポリマーの組成がナノスケールで変更可能かどうかをテストしました。さらに、チームはAFMカンチレバーが材料とどのように相互作用するかを監視しました。

カンチレバーは広範囲の力（0.6〜3.8 µN）を加えることができ、エネルギー要件を低減できることが判明しました。特に、インデントの最も広い部分は15±1nmしかなく、ナノスケールであることが確認されました。

消去テスト

研究者は、新しいポリマーが何度もデータを消去し再書き込みできることを確認する必要がありました。この機能をテストするために、深さ18〜27nmの4×4インデント配列を作成しました。その後、シリコン基板上にドロップキャストし硬化させた7つの複製サンプルを作成しました。すべてのインデントは、最初のテストで2分未満で消去されました。

結果

テスト結果は、新しいデータストレージシステムの効率性を示しています。エンジニアは、Filmersポリマーと熱バーストを使用すると、データの消去と再書き込みに数秒しかかからないことを確認しました。熱バーストは、従来の機械式ストレージでしばしば必要とされた高出力加熱要素に比べてはるかに低いものでした。

エンジニアは、各ストレージユニットのインデントが正確であることを確認するために数か月を費やしました。チームはAFMイメージングを用いてインデントとデータの変化を監視しました。彼らは、この手法が薄いポリマーシートにも適用でき、走査電子顕微鏡などの他の方法でも記録可能であることを発見しました。

機械式ストレージデバイスの利点

機械式ストレージデバイスが競合他社と差別化できる利点は複数あります。まず、操作がシンプルです。ほとんどの場合、データを表す何らかのマーキングがあります。現在、機械式バッテリーはナノスケールで動作し、新たな密度レベルを実現しています。

高密度

このタイプのバッテリーの主な利点は高密度です。三進コードを使用することで、これらのデバイスはより少ないスペースで多くのデータを保存できます。インデントの深さを符号化手法として利用できることが、さらに次元を加えます。さらに、これらのシステムは複数のカンチレバーとスキャナーを統合し、並列の読み書きを可能にします。

低コスト

この代替データストレージ戦略は、従来の方法に対する低コストの代替手段を提供します。ポリマーの主成分である硫黄とジシクロペンタジエンは手頃な価格で入手しやすいです。このアプローチの低コストにより、さまざまな産業でこれらのシステムを活用できます。

低エネルギー

この新しい機械式ストレージ手法から得られるもう一つの大きな利点は、エネルギー消費の削減です。従来の方法と異なり、常温での保存が可能です。そのため、より安全で、はるかに少ないエネルギーを使用し、持続可能性が向上します。

消去と再利用

Filmersポリマーは非常に耐久性が高く、数秒で消去・再書き込みが可能であることが証明されています。軽量でナノスケールの構造を保持できるため、より少ないスペースで多くのデータを保存できます。

クリーン

特筆すべきは、このストレージ手法が副産物をほとんど生成しないことです。保存用材料は、溶解および再書き込みプロセスで硫黄を放出しません。このアプローチは、真の持続可能性を提供し、次世代のAIシステムが環境に取り返しのつかない損害を与えることなく有用なサービスを提供できるよう支援します。

対処すべき課題

エンジニアが機械式ストレージデバイスを普及させるために対処すべき課題がいくつかあります。まず、システムは消去温度以下の環境でしか動作できません。保存装置が事前に設定された消去点以上の温度にさらされると、すべてのデータが失われます。この種の損失は、過熱するほぼすべてのストレージデバイスで起こり得ます。しかし、ポリマー・データストレージデバイスの低温動作は問題をさらに悪化させ、今後の研究者にとって主要な懸念事項です。

研究者

Flinders UniversityのChalker Labが本研究を主導し、Abigail Mannが第一著者として掲載されています。テストは大学のオンサイト研究施設で実施されました。現在、チームは高密度機械式バッテリーを市場に導入するために研究を拡大しようとしています。このステップの一環として、さまざまなポリマーの研究と、レーザーやナノインプリントリソグラフィーを利用した代替書き込み方法の検討を継続する予定です。

機械式データストレージ研究から恩恵を受ける企業

データストレージ市場は競争が激しく、主要プレイヤーが市場を支配しています。これらの企業は、研究者、企業、個人が計算から最大の価値を引き出すための有用なストレージオプションを提供しています。ここでは、この技術を統合し収益を向上させるために有利な立場にある企業を紹介します。

Data Storage Corporation

Data Storage Corporation (DTST ) は、先進的なストレージオプションを提供することを目的に2001年に市場に参入しました。このデラウェア拠点のテック企業はEmergent LLCとの合併により誕生しました。この合併により、同社の提供範囲が拡大し、ブロードバンドサービス分野での足場を確立しました。

Today, Data Storage Corporation is a leading provider of data services, including offsite backup and more. The company’s services have helped businesses recover from major losses and even natural disasters. As such, it has maintained a strong positioning in the market and has strategic partnerships with major tech firms like Microsoft.

The company’s products include a host of scalable enterprise‑grade resource,s including ezHost. The exVault option provides redundancy to companies and advanced encryption, empowering them to expand operations and keep user data safe. There’s also an ezRecovery option that streamlines getting your business up after major disasters or events.

If Data Storage Corp could integrate the latest mechanical battery tech into their offerings, their clients would receive better services, and the firm could reduce costs. The added storage density would enable the company to offer 4x the storage from its current facilities, driving ROIs to new heights.

知っておくべき追加バッテリー

研究者による完璧なストレージデバイスの試みは尽きませんでした。完璧には至っていないものの、かなりのイノベーションがありました。以下は、将来市場を変革し、今日のエレクトロニクスに超大容量メモリを提供できる可能性のある、いくつかの興味深いストレージ手法です。

酸素ベースのメモリ
このストレージ手法は、酸素分子が事前に設定されたメモリ層間を移動することを利用します。これらの層はタンタル酸化物、金属タンタル、そして酸素を層間で移動させる3つのプラチナ電極で構成されています。この機械式ストレージの大きな利点は、温度によって消去されないため、熱が問題となる過酷な環境に最適であることです。

結晶
研究者は最近、結晶をストレージデバイスとして利用することを検討しています。結晶は保存能力を向上させるいくつかの特性を持っています。まず、原子レベルで非常に硬く構造化されている点です。このシステムは、超高速レーザーを使用してシリカ結晶内のナノ構造空洞にデータを正確に刻み込み、耐熱性のある保存を実現します。

ダイヤモンド
革新的な研究チームは、ダイヤモンドが結晶と同様の保存能力を提供できることを発見しました。結晶とは異なり、ダイヤモンドストレージは電荷を利用してダイヤモンドの中心色を変えることで機能します。結晶と同様に、ダイヤモンドにエンコードされたデータは極めて耐熱性と耐時間性に優れています。

機械式データストレージ – それは未来か？

機械式ストレージが将来の方向性となり得る理由は数多くあります。まず、密度が向上することで、より少ないスペースで多くのデータを保存できます。その結果、これらのデバイスを使用することで、エレクトロニクスはより小型で高性能になります。また、これらのデバイスは持続可能で、代替手段よりもコストが低く抑えられます。これらすべての要因が、新しいデータストレージ手法とそのメーカーへの関心を高め続けています。

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研究参考：

^{1. Kim, S., et al. (2025). 昆虫スケールでのアクロバット：耐久性があり、精密で機敏なマイクロ空中ロボット. Science Robotics, 10, eadp4256. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adp4256}